211service.com
Jak vyrobit umělou buňku
Minulý měsíc výzkumníci z Institutu J. Craiga Ventera oznámili, že vyrobili první syntetickou buňku spojením genomu vyrobeného z chemikálií v lahvích a jeho transplantací do buňky příjemce. Přelomový úspěch představuje novou úroveň kontroly nad substancí života na molekulární úrovni, která by mohla vést ke způsobům výroby buněk, které produkují vakcíny ve velkém množství a čistší paliva.
Syntetické buňky: Bakteriální kolonie rostoucí na těchto Petriho miskách obsahují genom upravený na počítači a poté složený dohromady v laboratoři.
Ačkoli výzkumníci zdůrazňují, že bude trvat roky, než vědci prokážou skutečný potenciál těchto technik pro inženýrství života, nyní experimenty využívají ke zvýšení základního porozumění buněčné biologii.
Minulý týden při prohlídce zařízení institutu v Rockville, MD, kde probíhají experimenty, vědci vysvětlili, že syntetická buňka byla vytvořena jako výsledek projektu, jehož cílem bylo naučit se, jak vytvořit buňku s minimálním počtem genů. žít. Doufáme, že pochopením základních principů buněčného života budeme schopni přimět buňky, aby produkovaly více věcí, říká John Glass , profesor na ústavu. Buňky navržené k výrobě konkrétní chemikálie ji učiní efektivněji, pokud vědci dokážou eliminovat všechny ostatní nepodstatné metabolické procesy. Vždycky jsem chtěl vědět, jak buňky fungují, a teď máme nástroje, říká.
Jedním ze způsobů, jak zjistit, co je minimální genom, by bylo začít s mikrobem, se kterým se v laboratoři snadno pracuje, jako jsou kvasinky nebo E-coli a vyřadit každý gen jeden po druhém. Tento proces ale trvá velmi dlouho. Místo toho vědci z Venter začnou se sekvencí genomu z bakterie, která již má velmi malý genom, upraví ji v počítači, aby přidal nebo odstranil geny, pak ji syntetizují z chemikálií, transplantují do buňky a uvidí, jak se změny změní. ovlivnit funkci buňky. Budování genomu tímto způsobem urychluje výzkum institutu na minimálních genomech, říká Daniel Gibson , docent na Venter Institute.
Prvním krokem při výrobě syntetické buňky je navrhnout genom. Tento proces probíhá na počítači se sekvencí 1 077 947 písmen, která tvoří genom bakterie Mycoplasma mycoides . Ve svých počátečních demonstračních experimentech výzkumníci vymazali 15 genů. A aby vytvořili vodoznak, který odlišuje syntetický genom od přirozeného, provedli také doplňky. Výzkumníci zakódovali jejich jména, URL, několik uvozovek a e-mailovou adresu do čtyřpísmenné abecedy DNA a přidali ji do genomu.
Syntetizovat dlouhé kusy DNA v laboratoři je dnes drahé a časově náročné. Vědci tedy použili počítačový program k rozřezání genomu na 1100 kusů, každý o délce asi 1080 párů bází neboli písmen. Počítačový program přidal na každý konec každého plátku lepivé sekvence, které by umožnily, aby se kusy daly znovu dohromady. Výzkumníci poté zaslali těchto 1100 návrhů společnosti zabývající se syntézou DNA.
Výzkumní pracovníci institutu pak využívají kvasinkové buňky, aby sešívali 1100 fragmentů do jediného kruhového kousku DNA, který tvoří dokončený syntetický genom. Než budou kvasinky vykonávat svou práci, musí Gibsonova skupina vytvořit fragmenty DNA tak, aby byly pro kvasinky přátelské. Gibsonova skupina nejprve přidá ke každé sadě fragmentů DNA krátkou sekvenci DNA, která fragmenty vtáhne do smyčky a učiní fragmenty přátelskými k buňkám kvasinek, které byly ošetřeny tak, aby byly přístupné pohlcení DNA.
Gibson kombinuje kvasinkové buňky v roztoku s deseti typy fragmentů DNA, z nichž každý tvoří po sobě jdoucí sekvenci Mycoplasma genom. Kvasinkové buňky dělají práci, když dávají fragmenty zpět dohromady. Tento proces se opakuje, dokud kvasinky nedávají dohromady větší a větší kousky genomu. Nakonec některé kvasinkové buňky dají dohromady kompletní syntetický genom. Po testování, aby se ověřilo, že kolonie má celý bakteriální genom, vědci vypěstují kvasinky v baňce, aby se mohly množit a produkovat genom ve velkém množství.
Dalším krokem je extrahování kompletního syntetického bakteriálního genomu z kvasinek a jeho transplantace do bakteriálních buněk. Extrakce genomu z kvasinek a jeho transport je nejobtížnější částí procesu. Genom mykoplazmy je relativně malý, ale je to obrovská molekula. Smyková síla vody pohybující se kolem holých molekul DNA ji může roztrhnout. Vědci tedy imobilizovali DNA v peletě gelu a odvezli ji do jiné laboratoře, kde byly připraveny buňky příjemce transplantátu. Buňky příjemce, druhu Mycoplasma capricolum , jsou blízkými příbuznými buněk, jejichž genom je základem syntetického genomu. Pomocí pokusů a omylů vědci zjistili, že existuje určitá část buněčného cyklu růstu a dělení, ve kterém s největší pravděpodobností přijmou cizí DNA.
Přimět buňky příjemce, aby převzaly syntetický genom, je částečně věcí náhody. Výzkumník smíchá recipientní buňky s chemickým roztokem, aby se jejich povrch stal tekutým a lepkavým, a poté přidá buňky do roztoku DNA. Po smíchání se lepkavé buňky začnou vzájemně spojovat. Aby si buňky udržely kulový tvar, když se jejich povrch zvětšuje, nabírají objem z roztoku kolem nich. Náhodou, jak se spojují, některé z těchto megabuněk přijímají kopie M. mycoides genom.
Ponecháte-li asi tři hodiny, buňky s více než jedním genomem se rozdělí a vytvoří směs buněčných typů. Přibližně jedna ze 100 000 buněk má transplantovaný genom, který obsahuje gen rezistence na antibiotika. Když se buněčný roztok nanese na plotny obsahující antibiotikum tetracyklin, přežijí pouze ty s transplantovaným genomem. Ačkoli byli zpočátku jiného druhu, M. mycoides genom převezme a vytvoří to, co vědci nazývají syntetickou buňkou.
Vědci nyní tyto techniky použijí k postupnému zmenšování genomu. V současné době používají software k navrhování nových genomů s odstraněnými různými geny a poté používají svou techniku k jejich syntéze a transplantaci. V experimentu můžeme otestovat ohromující množství možností, říká Glass. To jim umožňuje určit během několika týdnů spíše než let, co se stane, když je například 10 genů v určité dráze exprimováno na různých úrovních nebo eliminováno.
Vývoj těchto technik si vyžádal přibližně 30 až 40 milionů dolarů ve financování, většinou od společnosti Synthetic Genomics. Hlavní náklady na tyto experimenty pochází z ceny syntézy DNA, která může klesnout, protože více výzkumníků vidí příslib těchto typů experimentů. Jiné skupiny to nedělají kvůli nákladům a protože metody byly obtížné, ale rád bych si myslel, že děláme metody jednoduché, říká Gibson. Profesor Bostonské univerzity James Collins souhlasí. Jak budou náklady klesat, uvidíte, že řada laboratoří se začne syntetizovat v tomto měřítku. Pokud je tato technika považována za užitečnou, dostaneme se tam na náklady.